Afin de choisir des conditions de chargement cathodique (densité de courant appliquée et temps de chargement) permettant d’effectuer des études statistiquement représentatives du cloquage, quelques essais dans différentes conditions ont été effectués sur des échantillons de Fer armco, de dimensions 40x10x1 mm3, polis mécaniquement et électrolytiquement (voir II.1.2 de chapitre II). Pour des densités de courant inférieures à 10 mA/cm2, peu ou pas de cloques étaient observables en surface après plusieurs heures de chargement, avec des résultats peu reproductibles. Pour des densités supérieures, des cloques très marquées sont observées systématiquement, et des fissures curvilignes largement ouvertes sont visibles sur les coupes en épaisseur, comme illustré sur la figure III.1.
(a)
(b) (c)
Figure III.1. Renflement dû aux cloques et fissures sous-jacentes visibles sur les sections(DL, DN) après 24 h de chargement cathodique avec (a) d=16mA/cm2 , (b-c) d=10mA/cm2.
La densité de courant a ensuite été fixée à d=10 mA/cm2, puis différents temps de chargement : 1h, 4 h, 14 h et 24 h ont été considérés, correspondant respectivement aux échantillons dénommés (I-1h), (I-4h), (I-14 h), (I-H), afin de quantifier à l’échelle macroscopique l’importance des cloques.
Le tableau III.1 montre l’état macroscopique des échantillons (I-1h) et (I-H) après chargement cathodique.
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III.1.a.i Observation macroscopique Temps de
chargement (h)
1h 24 h
Eprouvette
Tableau III.1. Aspect des cloques à la surface (DL, DT) des échantillons pour différents temps de chargement cathodique, les zones présentées dans le tableau présentent les zones plongées dans la solution.
Les images illustrent qualitativement l’augmentation de la densité de la taille des cloques avec le temps de chargement. Après différents essais, on a considéré que le chargement t=24 h permet d’obtenir une répartition homogène des cloques sur toute la surface de l’échantillon, et se prête ainsi bien à une analyse statistique des phénomènes observés.
L’analyse quantitative à l’échelle macroscopique a été effectuée par surfométrie. III.1.a.ii Analyse surfométrique
L'étude surfométrique a été effectuée avec un profilomètre mécanique SOMICRONIC Surfascan 3S. Des scans ont été réalisés pour l'état brut non chargé (I-0), l'état chargé 24 h (I-H) et 4 h (I-4h). Les dimensions des surfaces analysées étaient 8 mm x 8 mm pour (I-0) et (I-H), et 10 mm x 2.6 mm pour (I-4h). Le pas de mesure étant fixé à 0.008 mm suivant l'axe X et Y, la résolution verticale suivant l'axe Z présente une valeur de 8 nm avec un palpeur qui peut atteindre 2 mm d'amplitude maximale suivant l'axe Z. Les scans sont traités avec le logiciel MountainsMaps (à partir de fichiers .sdf) pour obtenir une cartographie, puis après binarisation les caractéristiques (nombre, taille, densité...) des cloques. Pour les échantillons chargés en hydrogène, seuls les « ilots » de hauteur supérieure à un seuil fixé à 4 µm sont considérés comme des cloques. Les mesures de hauteur sont prises à partir de ce seuil.
Les caractéristiques dimensionnelles des cloques (diamètre moyen, hauteur maximale, indice de circularité...), sont présentées dans les figures III.2 à 5 et le tableau III.2.
72 Echantillon d’ « ilots » Nombre
Fraction surfacique (%) Hauteur maximale (µm) I-0 21 0,0009 2,27 I-4h 21 4,56 39,05 I-H 52 20,9 66,06
Tableau III.2. Caractérisation de la rugosité de l'état brut non chargé I-0 et analyse quantitative de cloquage après chargement cathodique pour l'état I-4h et I-H.
Figure III.2. Distribution du diamètre moyen des cloques pour les échantillons (a) I-4h (chargé 4 h) (b) et I-H (chargé 24 h).
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Figure III.4. Distribution de l'indice de circularité pour les cas (a) I-4h (chargé 4 h) et (b) et I-H (chargé 24 h).
(a) (b)
Figure III.5. Cartographiedes hauteurs des cloques mesurée par surfométrie de l'état (a) brut (non chargé, non poli), (b) chargé en hydrogène pendant 24 h.
Les résultats (Tableau III.2, Figure III.2 à 5) montrent une nette différence entre l’état brut et les états chargés. Sur l’état brut non chargé les variations de hauteur sont dues à la rugosité de l’échantillon, qui est de l’ordre du micron (Figure III.5). On constate entre 4 h et 24 h de chargement une augmentation significative de la hauteur maximale des cloques (Figures III.3a et b)) et de leur diamètre (Figures III.2a et b), ainsi qu’une augmentation importante du nombre de petites cloques. La distribution de l'indice de circularité (i) des cloques – =™l4(—˜)š›œO était calculé, où Ar est l'aire de cloque et Dmax le plus grand diamètre mesuré à partir de son barycentre, est montré (Figure III.4). Les valeurs de cet indice est proche de 1 sur les états I-4h et I-H, montrant que les cloques sont quasiment circulaires.
Les cartographies des hauteurs des cloques présentées en trois dimensions (Figure III.5), montrent clairement la différence entre un état sans cloque (I-0) et un état présentant des cloques réparties sur la surface (I-H).
Des observations au MEB ont permis une observation plus détaillée des cloques. III.1.a.iii Observations MEB
Des observations MEB en surface ont été effectuées pour les échantillons (I-1h), (I-4h) et (I-H). La figure III.6 permet de comparer l’aspect des cloques à faible grandissement.
Les images MEB montrent que les cloques présentent une variation de taille avec l’augmentation de temp de chargement cathodique.
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(a)
(b)
(c)
Figure III.6. Aspect général des cloques observées en MEB à faible grandissement à la surface (DL, DT) de l'échantillon (a) I-1h, (b) I-4h, (c) I-H.
A plus fort grandissement, des cloques de taille micrométrique sont visibles, certaines sont observées à l’intérieur d'un grain comme le montre la figure III.7a, tandis que d’autres concernent plusieurs grains (Figure III.7b-c) et des lignes de glissement sont parfois nettement visibles à leur surface (Figure III.7b-d). DT DL DT DL DT DL
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(a) (b)
(c) (d)
Figure III.7. Images MEB typiques de cloques observées sur la surface (DL, DT) des échantillons : (a-b) I-1h, (c) I-4h, (d) I-H.
L'analyse MEB confirme ainsi les résultats trouvés par surfométrie sur l’augmentation du nombre et de la taille des cloques avec l'augmentation de temps de chargement, et a permis de visualiser de toutes petites cloques.
De plus, l’observation de cloques présentant des fissures très ouvertes, notamment dans l’échantillon (I-H) permet d’accéder partiellement à la surface de rupture (figure III.8).
Celle-ci présente un aspect plutôt fragile. De plus on distingue des pores de taille micrométrique, déjà évoqués par d'autres auteurs dans la littérature [72, 108], et qui pourraient être à la source du cloquage.
(a) (b)
Figure III.8. Images MEB des faciès de rupture observé au niveau des cloques présentés à la surface (DL, DT) de l'état I-H.